（电路与系统专业论文）基于ARM和Linux的嵌入式车载分布式信息采集系统研究与实践[电路与系统专业优秀论文].pdf

基于a r m 和l i n u x 的嵌入试车载分布式僚患采集系统研究与实践 摘要 f7 7 2 5 1 8 车载分布式信息采集系统是智熊交通篮控系统中必不可少豹组成都分。该系统 采集车内相关信息后通过无线方式发送到远程监控终端，构成一个完整的系统以 完成车辆的凋度监控等王作。嵌入式系统具商功糕低、灵活憾强、低成本、处理 能力强大等特点，丽g p r s 分组交换技术可瞄在移动状态下提供各种高速数据业 务，越来越广泛的应用于无线分布式系统中。基于嵌入式系统和g p r s 无线通信网 络的车载分毒式监测终端具有广泛憝应翔前景和飘大的现实意义。 本论文设计了一个鏊于a r m 9 处理器和嵌入式l i n u x 的嵌入式系统平台，并 在此基础上丌发出包括温度测量、g p s 定位、g p r s 发送等多项应用功能，从而实 现基于g p r s 帮嵌入式系统载车载分布式信息采集终港。经过实验，系统遮葶亍正 常，可以作为无线分布式监测系统的解决方案。 关键字：嵌入式系统、a r m 、l i n u x 、g p r s 、一线式温度传感器、g p s 。 。拳黪j 。卫、i ：；嘏越 ? “雪7 、h 舟 基于a r m 和m n u x 的嵌入式车载分布式信息采集系统研究与实践 a b s t r a c t d i s t r i b u t e dm o b i l ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i n gs y s t e mi san e c e s s a r yc o m p o n e n to f i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ( i t s ) t h es y s t e mc o l l e c t st h ei n f o r m a t i o no f a u t o m o b i l ea n ds e n d si tt or e m o t es u p e r v i s o r ys y s t e mt h r o u g hw i r e l e s sw a y , s oa st o s u p e r v i s ea n dc o n t r o lt h et r a f f i cs y s t e m e m b e d d e ds y s t e mh a st h ef e a t u r e ss u c ha sl o w p o w e rd i s s i p a t i o n ，h i g hf l e x i b i l i t nl o wc o s ta n dh i g hp r o c e s s i n ga b i l i t y g p r sc a n p r o v i d eh i g hs p e e dw i r e l e s sd a t at r a n s f e rs e r v i c e ，w h i c hi sw i d e l yu s e di nw i r e l e s s d i s t r i b u t e ds y s t e m t h ed i s t r i b u t e dm o b i l ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i n gs y s t e mb a s eo n e m b e d d e ds y s t e ma n dg p r sw i l lb ea p p l i e dw i d e l yi nf u t u r e i nt h i sp a p e r , a na r m 9 - b a s e de m b e d d e ds y s t e mi si m p l e m e n t e dw i t he m b e d d e d l i n u xo p e r a t i n gs y s t e mr u n n i n go ni t b a s e do nt h i sp l a t f o r m ，t h ea p p l i c a t i o nf u n c t i o n s s u c ha st e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，g p sp o s i t i o n i n g ，g p r sd a t at r a n s f e ra r ed e v e l o p e d t oc o n s t i t u t eam o b i l ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i n gt e r m i n a l e x p e r i m e n ts h o w st h es y s t e m r u n n i n gc o r r e c t l y , a n dt h i sr e s o l u t i o no fw i r e l e s sd i s t r i b u t e ds u p e r v i s o r ys y s t e mi s c o n f i r m e d k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，a r i v i ，l i n u x ，g p r s ，1 一w i r e ，g p s 2 基于a 魏巍l i n u x 静擞入式车载努毒式倍感采集系统骄究与实蔽 引言 弊飘是2 0 鍪缀人类酶重要发赘之一，它羟久类飘整复杂静薤力劳动中解 放中来，大幅度提商了劳动生产率。尤其是随着电子技术和半导体工业突飞猛进 的发聪，计算机日益小型化、成本迅速降低，被越来越广泛地应用在各个领域中。 慧体来滋谤篓辊技零懿应蠲太体上毒瑟耱形式：一静是隧邋嗣平台豹影式存在， 如p c 机、各种大中型计算机、工作站等；另一种是以专用平台的形式出现的，这 就引入了“嵌入式系统”的概念。 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 镀定义为：良瘦焉为中心，以诗算祝技零为基 础，软件硬件可裁剪，适应对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用 计算机系统。今天，嵌入式系统已经得到广泛应用，从汽车、家用微波炉、p d a 、 电援瓤，至l 工控生产凝场、逶谶、仪器、议淡、汽车、船舶、靛空、靛天、军事 装备、消费类产品等方面，都能发现嵌入式系统的踪影。嵌入式系统的处理能力 日益提赢，随着操作系统在嵌入式c p u ，尤其怒3 2 位嵌入式c p u 中的成功移植， 使簿在嵌入式系统中开发复杂豹大型较俘袋为可麓，大大褥赢了嵌入式系统魏处 理能力，扩展了其使用领域。 近年来，随着互遮网络的发腿，分布式系统的应用范豳越来越大，构建分布式 系统繇褥成本目盏辩低，菇怠楚疆霜传输蘸力越来越强，手段骞趋多襻，这些都 使得分布式系统成为炙手可热的研究领域。分布式的远程信息获取、传输与处理， 在环境检、钡l 、物流、智能交通等领域具有广泛地应用前景，困丽得到了围内外的 善逮羹褫。 作为智能交通监控系统的重爱组成部分，车载的分稚式信息采集终端魑必不可 少的。通过此终端浆集到车辆运行信息，通过一定的方式发送到测控中心，从而 运蚕远程监控车辆运行获；觅的嚣瀚。此系统针对专门应爝，要求功耗低、功麓灵 活、易维护、易扩展，并且可以在此基础上方便的附加各种增值功能，聚用嵌入 式系统实现车载分布式信息采集终端正好可以满足系统低功耗、灵活、低成本等 方面的臻求，并且嵌入式系统园蕊强大豹处理能力为今后静进一步扩凝打下了基 石j 凯 系统的设计主要包括以下几个方露的工作：一是系统核心的嵌入式农奎理平台的 开发，这又毽括嵌入式平台硬俘豹开发窝嵌入式操雩# 系统移植两都分；二廷信息 基于a l i l l 和l i n u x 的嵌入式车载分布式信息采集系统研究与实践 采集各应用功能模块的设计实现；最后，是系统和远程监控终端的通信和系统集 成。 本论文共分五个部分，第一部分对系统进行概述，根据系统的需求分析给出系 统整体解决方案；第二部分主要介绍核心嵌入式处理平台的硬件设计和调试。第 三部分介绍系统核心嵌入式处理平台操作系统的移植。第四部分主要介绍各信息 采集应用功能模块的设计实现。最后，我们将对整个分布式监控系统进行一个大 致的介绍。 基于a r m 和l i n u x 的嵌入式车载分布式信息采集系统研究与实践 第一章、系统设计概述 无线的分稚式监测系统是目前发展非常迅速的一个领域，作为该领域的一个应 用，无线公交车辆监控系统在现实中有着广泛的应用前景和巨大的现实意义。随 着城市交通系统的发展，对于公交车的监控也提出了新的要求。现有监控系统无 法实时得到币在线路上行驶的公交车辆的具体运行状况、车内环境状况( 温度湿 度等) 、车载人数以及异常情况等。这些问题涵盖了车辆调度、舒适性、安全性、 运行效率等多个层面，为了提高调度中心的调度效率和处理异常情况的能力，需 要设计一个实时监控公交车辆运行的监控系统。 作为这一监控系统的重要组成部分，车载信息采集终端是必不可少的。该终端 在运行过程中实时采集车辆运行数据，诸如车辆位置，车内温度、湿度，车内人 数等等，然后通过无线方式将数据发送到远程监控中心。监控中心综合各终端发 送的数据，完成数据的汇总和显示，然后通过各种方式进行调度和控制，从而达 到远程监控的目的。设计车载信息采集终端涉及系统整体方案选择，硬件设计， 软件编程( 包括操作系统移植) ，系统集成等多个方面，其中首先要进行的就是系 统整体方案的选择。 服务于共同目标的组设备集成在一起形成了一个系统，在最初设计这个系统 时，首先需要创建这个系统的整体框架，也就是系统的体系结构“。系统体系结构 在模块一级定义系统的各个组成部分以及它们之间的接口，通过建立系统体系结 构，我们可以更加明确系统的宏观布局，从而使具体的系统设计工程少走弯路， 缩短整个系统的设计周期。 要建立系统的体系结构，首先要对系统需实现的功能需求进行相应的分析，根 据需求提出系统整体的解决方案，然后根据整体方案分别确定核心嵌入式处理平 台的软硬件，以及各应用功能模块的实现方案。 1 1 系统功能简介和分析 本车载分布式信息采集系统主要面向对象是公交车，希望采集的数据主要包 括：g p s 定位信息，车内环境温度，车内人数等；同时，希望输出完成诸如报站等 功能；对于采集好的信息，系统通过无线方式将其发送到远程监控终端所指定的 地址，从而达到分布式的信息采集和传输。整个系统希望具有功耗低，可靠性高， 纂于a 蕊和l i n u x 的嵌入式车栽分布式储息采集系统研究与寓践 通用性强、易扩展，易维护，可以方便的在系统基础上进行二次玎发和提供增值 服务等特性。 系统功耗低，可靠性赢，具有高度的灵活性，这本身就是嵌入式系统所具有的 特点。同时，本系统要求更强的通用性，更好的二次开发支持和更加方便的扩展 和维护，这就要求嵌入式系统在实现具体的应用功能时尽量使用通用的扩展接口， 其执行硬件应是模块化的，连接方便，维修更换容易。在软件开发上应尽量屏蔽 底层硬件结构差别给上层软件开发所带来的差异。这样，我们可以褥出对整个系 统的描述： 是一个功耗低、可靠性高的嵌入式系统 系统具体应用功能应由不同的模块化设镰完成 系统应尽撬通过通用接口与各个模块化设备适接 系统应用软件开发应是尽量屏蔽底层硬件差别的 在此藻础上，我们可以建立本系统大致的体系结橡，如图1 - 1 - t 所示： 输入竣出 公共网络 图1 1 - l 系统体系结构 系统体系结构尽管简单，但它反映了系统的宏观情况。整个系统包括数据( 信 息) 输入设备，控制输出设备，核心的数据处理和功能控制平台，这些设辐在本 地连接，然后通过数据发送设备将数据发送到外部的公共网络以提供给远程监控 系统进行监控。 4 基于a r m 和l i n u x 的嵌入式车载分布式信息采集系统研究与实践 1 2 系统整体解决方案设计 在系统体系结构的基础上，接下来就是对系统具体解决方案的设计。这主要包 括以下几个方面的工作： 1 、选择系统核心控制平台的硬件实现方式。 2 、选择系统核心控制平台的操作系统。 3 、选择g p s 定位信息接收模块及它与系统核心控制平台的接口方式。 4 、选择环境温度测量模块及其与系统核心控制平台的接口方式。 5 、选择模拟人数计数模块及其与系统核心控制平台的接口方式。 6 、选择报站器模块及其与系统核心控制平台的接口方式。 7 、确定无线数据发送方式，选择数据发送模块及其与核心控制平台的接口方 式。 以上工作中，关键是选择核心控制平台的硬件实现方式和操作系统。这关系到 整个系统的性能：是否能够提供足够的数据处理能力、提供足够的外围扩展接口， 是否能减小应用程序开发的工作量，是否便于进行系统的二次开发、以及功能扩 充等等。 1 2 1 系统核心嵌入式平台硬件的选择 核心嵌入式平台硬件可以分为核心的嵌入式处理器、嵌入式处理器基础上的最 小系统电路和系统外围电路三个层次( 如图卜2 一1 ) 。其中核心部件是嵌入式处理 器，它完成系统主要的控制运算功能。在嵌入式处理器的基础上，由嵌入式处理 器和必要的程序、数据存储器及一定的总线接口电路构成“最小系统”。所渭“最 小系统”就是指可以使嵌入式处理器正常工作，完成控制运算等任务所需要的最 基本的硬件所构成的系统。在最小系统的基础上，为了完成具体的检测、控制、 输入输出功能，提供和外部模块的接口，系统会根据需要定制相应的外围电路。 从结构来说，最小系统的构成是相对稳定的，可以况嵌入式处理器定了，最小系 统的电路就基本定了，而外围电路根据不同的应用可以有比较大的变化。对系统 核心嵌入式平台硬件的选择主要就是对嵌入式处理器的选择。 “对于有些嵌入式处理器，会将程序及数据存储器集成在芯片内部，此时该嵌入式处理器芯片 本身就构成一个“最小系统”。所以嵌入式处理器和最小系统的划分并不是绝对的。但在这里， 我们从大多数处理器，尤其是3 2 位处理器较常用的结构出发，做出这样的划分。 5 纂于a r m 和l i n u x 的嵌入威车裁分布式倍息采集系统研究与实践 图1 2 1 嵌入式平台硬件结构层次 嵌入式处理器釉类繁多，它们的基本功能虽然类似，僚对不同的任务处理能力， 对外部提供的各种总线接口等簿都是不一样的。对嵌入式处理器的选择主要就是 根据系统所要实现的功能在各葶中处理器问，以及在成本、功能闻进行系列黪权 循折衷。 据不完全统计，全世界嵌入式处理器已经超过1 0 0 0 多弛，沆行的体系结誊句有 3 0 几个系列( 孙。其位数从4 位、8 位、1 6 位、3 2 位到6 4 位，寻址空间从几k b 到 几百m b ，处理速度从0 1 m i p s 到2 0 0 0 m i p s ，引脚从8 嬲到数酉令脚。大致上， 可以分成以下几类：嵌入式微处理器，嵌入式微控制器，嵌入式d s p 处理器，嵌 入式冀上系统( s o c ) 簿( 。 嵌入式微处理嚣，其基本的结构类似于避用计算机，健是对系绞结穆、援令系 统等鄯耷针对性的进行了麓化和专门设计，降低系绞复热度，减小系统功糕，只 保留与嵌入式应髑有关的功能。其中r i s c 型处理器( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ) 被大量使用。r i s c 型处理器指令篾擎、处理速度快、功耗低，因此 攀适合应用于那些对速度謦鞋功耗要求较瘫熬便携式系统。这萋申类型泌处理器主要 枣：a r m 公司鲍a r m 、m o t o r o l a 公司麴m 。c o r e 、h i t a c h i 公司的s h 、m t p s 公司 的m i p s 等。由于其基本结构类似予通明计算枧，所以在葵上移檀遽用计算枧掇作 系统是最方蠖的。 嵌入式微控制器又拣擎片椒，可用 乍某些嵌入式系统憋拔，它在一块芯片上褰 成了一个完整的计算搬系绞，一般以某一种c p u 为核心，根据应耀罴要在芯片志 郑集成总线逻辑、定g 寸计数器、看f l 麴、i o 、串撂蜀、黥宽调铡辕出、a d 、d a 、 f l a s h 、r a l v i 、r o m e p 袋o m 、e e p r o m 等静必要功8 模块、存髓器及姊设， 使单片枧最大眼度地魏应鼹震求相匹配，以便充分黪低功耗彝系绕残本。嵌入式 微控巷4 器片上资源比较丰富，逐合予控铡镶域懿应遐，数类产晶菇耱繁多，魄较 6 麓予a 烈和l i n u x 熬嵌入式擎簸分帮式售息集系统研究姆实践 有代表性的通用系列包括m c s 5 l 、p 5 1 x a 、m c s 一2 5 1 、m c s 一9 6 1 9 6 2 9 6 、c 1 6 6 1 6 7 、 m c 6 8 h c 0 5 1 1 1 2 1 6 、6 8 3 0 0 、p i c 等，以8 和1 6 位机型为主，它们对外设的控制 姥力稷强，稳运算签理麓力较弱( 3 ) 。莠蕊，出于荬缝秘与逶溺计舞孛莲翡差异较丈， 在单片机上移植通用计算机操作系统比较困难。 d s p 处理器对系统的体系结构和指令进行了特殊设计，使其逑合于执行d s p 箨法，壤译效率毫，撬行遮凄浃。疑点楚霉麓经理黪力帮1 0 功戆不强，寻簸蹙润 有限，对开发平台的支持不够丰富。 片上系统( s o c ) 本身足指在一个j 卷片上实现比较完整的系统功能。从广义上 嚣，它与羲三类楚理器荠没有甥确憨器线，或者溪藏三类楚理嚣氇哥疆在菜耱程 度上称为s o c 。我们这里将其单列出一类，主要是描专用s o c 。专用s o c 专门针 对一些特定的应用，应该说在这些应用条件下与系统需求具有最好的一致性，但 建对于逶嗣湾猿，其适应淫显然是不是瓣。 本系统对嵌入式处理器所提出的爱求主要有：系统应提供较强的数据处理能 力，提供较强的i o 功能斧通用外设接口，系统应能够移植与通用计算机相一致的 豫 乍系统以方便应瑗软馋躲开发等。对院以上躲足炎嵌入式楚瑗器，r i s c 嵌入式 微处理器成为系统的首造。 目前比较常用的嵌入式微处理器有：a r m ，p o w e r p c ，m i p s 等。其中a r m 鲣瑾器藏本 蕊，功耗低，功麓强，在中低灞便薅式浚爸应爱领域褥翻了广泛瓣使 用。而后两种嵌入式处理器价格相对较高，结构更加复杂，多应用于高端嵌入式 系统中。对于本系统，采用a r m 架构微处理器是合适的。 a r m ( a d v a n c e d r i s c m a c h i n e ) 粲梅囱棱是葵辍a r m 公司瓣产鑫，a r m 公 司本身并不楚芯片制造商，它向半导体制造商提供自己拥有知识产权的a r m 内 核，由各半导体芯片制遗商结合自身的优势，采用不同的工艺，根据需要在a r m 肉核静基磁上嵌入蠢释外闺部俘，形成各稃嵌入式微楚瑾器或辙羟镬器。a r m 系 列产品种类繁多，有a r m 7 、a r m 8 、a r m 9 、a r m l 0 等多个不同版本，其中在 低端产品中应用比较广泛的是a r m 7 和a r m 9 版本3 ) 。 在吴体芯片豹选择一艺，主要应考惑以下尼令方纛鹣淘题： 芯片有没有足够的处理能力 芯片的寻址空问大小 芯冀雏藤线需求 蒸- pa 腿帮l i n u x 的嵌入式车载分毒式信息采集系统研究与蜜跤 芯片所提供的片上资源 芯片的开发调试环境是否方便 鼹葱冀秀发戆支撩是否充分，秀发瓷糊是否容易取缮 其他需要 综合多方丽因素，我们选择三星公司在a r m 9 2 0 t 内核基础上开发的芯片 $ 3 c 2 4 1 0 xl 乍为我髓系统豹嵌入式经理器。 $ 3 c 2 4 1 0 x 芯片采用3 2 位r i s c 结构且指令系统增强的a r m 9 2 0 t 内核，内核鼹 高工作频率2 0 0 m h z ( 1 8 v ) ，芯片提供的片上资源主要有： 努部存缮擦稍器，提供8 令最大1 2 8 m b y t e 懿存 蓑空润( 共1 g b ) 。 n a n df l a s t 控制器，可以直接连接n a n df l a s h 4 通道1 6 b i t 定时器( 支持p w m ) 及1 个通道的内部定时器，一个看门狗 ( w a t c h d o g ) 定时器 3 路u a r t 串行输出 4 通道d m a 控制器 1 个8 逶逶l o b i t 模数耱换器( 5 0 0 k p s ) 1 个触摸屏接口 1 个l c d 控制器( 4 0 9 6 色s t n ) 2 令u s bh o s t 菝疆帮1 个u s bs l a v e 接鼙 1 个i i c 总线接口 1 个i i s 鬻频总线接口 l 令s p i 率幸亍搂目 2 4 个外部中断脚和大量i o 输入输出口 1 个s dh o s t 控制器 豢霹历功憩赘实薅时键 带有锁相环的片内时钟发生器 冀肉赘袁i c e 摸块，支持j t a g 淫试4 1 2 2 系统核心嵌入式平台操作系统的选择 在嵌入式籁统开发中，嵌入式软件燕实现吝静系绞功能鼹关键，也是嵌入是技 基于a r m 和l i n u x 的嵌入式车载分布式信息采集系统研究与实践 术中最活跃的研究方向之一。不同应用对嵌入式软件系统有不同的要求，并习随 着计算机技术的发展，对软件的要求也在不断变化。在原有体积小、执行速度快、 实时性好、有较好的可剪裁性和可移植性要求的基础上，进一步要求嵌入式软件 可以提供操作系统的支持，支持多任务并具有实时性，提供联网能力，提供窗口 交互功能等。 随着嵌入式系统应用领域的不断扩大，其所需要提供的应用功能越来越复杂， 系统需要管理的资源越来越多。在这种情况下，原有的结构功能都相对比较简单 的嵌入式系统控制程序越来越力不从心。在这种情况下，给嵌入式系统配备一个 操作系统是一个不错的解决方法，操作系统将一些通用的软件功能如内存管理、 任务调度等抽象出来，为用户程序同硬件打交道提供了一个友好的接口( 3 。 目前有多种操作系统应用于嵌入式系统中，其中既包括经过剪裁修改后的与通 用计算机操作系统兼容的操作系统，也包括众多针对嵌入式应用专门开发的操作 系统。前者包括微软公司的w i n d o wc e ，各种不同版本的嵌入式l i n u x 等；后者包 括v x w o r k s 、p s o s 、q n x 、n e c u l e u s 、v r t x 等。 要从众多的嵌入式操作系统中选择一种应用于我们的系统主要需要考虑以卜 几个方面的问题： 是否支持系统硬件平台 操作系统的可移植性 操作系统所提供功能的强弱 在操作系统基础上的软件开发调试环境 操作系统移植、软件开发可以得到的技术支持和开发资料的获取 操作系统的成本 从操作系统软件获取的手段上，基本可以将嵌入式系统分为两大类，一类是可 以开放源代码，可以免费获得的操作系统；另一类是需要向其开发者购买的商业 操作系统。对于商业操作系统，比如应用非常广泛的w i n d o wc e 、v x w o r k s 等，它 们的功能出众，有强大的技术支持，有完善友好的开发调试环境，但同时价格也 不菲。对于开源操作系统，比如l i r u x 、u c o s 等，它们可以免费获得，有不错的 性能，由于其开源的特性，在全世界范围内有众多的爱好者和工程师以它们为基 础进行开发和改进，并且共享自己的研究成果，但同时，它们在一些嵌入式系统 的高端功能上，比如系统实时性、应用模块的驱动支持等方面与商业操作系统还 基于a 蹦和l i n u x 的嵌入式车载分布式信息采集系统研究与实践 有些差距。 根据我们系统的功能需求，核心嵌入式平台操作系统应具有以下特点： 较好的多任务处理能力 可以以模块化的方式加载卸载对外设的驱动支持 有方便的开发调试环境 可以方便的在其基础上提供各种软件升级和开发增值功能 在满足以上条件的前提下，对系统实时性的要求并不苛刻 可以看出，针对我们的需求，嵌入式i i n u x 操作系统时非常适合的。l i n u x 作 为一种在通用计算机上使用的操作系统被开发出来，由于其缺乏对体系结构的表 象，最初并没有被应用于嵌入式系统。但是由于其开源的特性，吸引了全世界范 围内众多开发人员参与到对它的改进上。2 0 0 0 年5 月成立的嵌入式l i n u x 联盟 ( e l c ，e m b e d d e dl i n u xc o n s o r t i u m ) 通过标准化和改进l i n u x 使其适合于嵌入 式应用”。1 9 9 9 年以来，嵌入式l i n u x 的采用已经从零增长到占市场份额第二位， 仅次于w i n dr i v e r “。 l i n u x 本身就是一种建立在多用户多进程基础上的操作系统；可以采用动态加 载驱动的方式提供对多种外设的驱动支持；提供诸如g n u 等完整的开发工具链和 g d b 等调试环境的支持：在其基础上的应用软件众多，丌发调试简便；在移植到嵌 入式系统中以后，l i n u x 在实时性方面做了相当多的改进，满足了相当一部分系统 对实时性的要求。可以说，基本符合我们对核心嵌入式平台操作系统的要求，加 上三星公司对l i n u x 在$ 3 c 2 4 1 0 x 芯片上的移植做了相当大的工作，我们决定采用 三星官方指定的m i z il i n u x 作为核心嵌入式平台的操作系统。 1 2 3 系统应用功能模块及其接口方式的选择 系统应用功能模块主要包括：g p s 全球定位信息接收模块，环境温度测量模块， 模拟车内人数计数模块，数据发送模块等。 g p s 全球定位信息接收模块目前可以很方便的在市场上买到，这些封装好的 g p s 探头一般通过串口按照n m e a 0 1 8 3 协议与接收终端连接，在此基础上，有些厂 商还将u s b s e r i a l 转换芯片直接封装到系统中，以提供通过u s b 接口与主机连接 的g p s 探头。 对于环境温度的探测有多种方案，对不同方案的选择实际就是对不同温度传感 基于a 肼和l i n u x 的嵌入式车载分布式信息采集系统研究与实践 器的选择。温度传感器主要用来将温度转换成电信号，很多公司都提供各种不同 类型的温度传感器。不同的温度传感器提供不同精度以及输出信号，有的温度传 感器直接将转换得到的模拟信号输出，有的则会先将这些模拟信号转换成数字信 号再通过一定的接口输出。对于前者，数字系统在对温度信号进行处理前先要进 行模数转换，使用起来并不方便：而后者在传感器芯片内部完成了模数转换的 工作，在数字系统上应用更加方便。温度传感器输出数字信号有多种接口，主要 包括：并口、s p i 、i i c 、以及“单总线”协议等。美国d a l l a s 半导体公司推出的 数字化温度传感器d s l 8 2 0 采用单总线( 卜w i r e ) 协议，即与微机接口仅需占用一 个i o 端口，无需任何外部元件，直接将温度转化成数字信号，以9 位数字码方 式串行输出，从而大大简化了传感器与微处理器的接口“。这种温度传感器结构简 单，使用方便，符合我们系统的精度要求。 模拟车内人数计数模块是为了实时了解车上乘客人数而加入的。在目前的条件 和环境下，由于各种原因，事实上还并没有可以准确有效计算公交车乘客人数的 设备或解决方案。但是，作为公交系统运行非常重要的指标，作为远程监控系统 还是希望对此有所考虑，所以，我们称其为“模拟”车内人数计数模块。考虑到 在各种技术中，相对比较可行并且在将来有可能真正为系统提供解决方案的技术 就是射频( r f ) 卡技术。我们采用非接触式i c 卡读卡机模拟车内人数计数模块， 该读卡机采用串行通信口与核心模块进行连接。 在数据传输方面，系统应具有以下特点： 在移动中通过无线方式传输数据 无线传输网络覆盖面积大，数据传输可靠性高 系统运营维护成本较低，应尽量利用已有的电信网络 监控终端数据接收简单方便 针对以上要求，目前在手机移动通信中应用广泛，发展迅速的g p r s 技术成为 了数据传输的首选解决方案。 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用无线分组业务) 作为第二代移动通 信技术g s m 向第三代移动通信( 3 g ) 的过渡技术，是由英国b t c e l i n e t 公司早在1 9 9 3 年提出的，是g s mp h a s e 2 + ( 1 9 9 7 年) 规范实现的内容之一， 是一种基于g s m 的移动分组数据业务，面向用户提供移动分组的i p 或者x 2 5 连 接。g p r s 能给用户提供端到端的、广域的无线i p 连接。通俗地讲，g p r s 是一项 基于a r m 和l i n u x 的嵌入式车载分布式信息采集系统研究与实践 无线高速数据传输技术，它以分组交换技术为基础，用户通过g p r s 可以在移动状 态下使用各种高速数据业务，包括收发e - m a i l 、进行i n t e r n e t 浏览、即时聊天等 ”。目前中国移动g p r s 网络已覆盖全国所有省、直辖市、自治区，网络遍及2 4 0 多个城市。无论在繁华的闹市、还是在僻静的边远地区，g p r s 都能够最大限度的 提供高速数据服务。 对于本车载系统，可以通过异步串行接口( r s 一2 3 2 ) 与g p r sm o d e m 连接，再 由g p r sm o d e m 连接移动g p r s 网络，将数据发送到监控终端所在的广域网i p ，而 远程终端作为一个广域网服务器出现。这样，就可以实现移动中的无线数据发送。 1 2 4 系统整体结构的设计 至此，我们选定了系统核心嵌入式平台软硬件实现方案和各应用功能模块。各 应用模块中，温度传感器采用单线方式连接到核心平台的g p i o ( g e n e r a lp u r p o s e i n p u t o u t p u t ) 接口。其他模块都可以通过异步串行口或u s b 口与核心系统连接。 综合考虑系统所提供的片上资源和系统的开发调试方面的因素，得到系统的整体 结构如图卜2 3 所示： 图卜2 3 系统整体结构 系统采用$ 3 c 2 4 1 0 x 构成核心嵌入式平台；系统开发调试平台( 一般是p c 机) 通过j t a g 接口、串口控制台、或u s b 口与嵌入式平台连接以进行系统的丌发；平 基于a r f f 和l i n u x 的嵌入戏车载分布式信息采集系统研究与实践 台提供异步串行口( r s 2 3 2 ) 、u s bh o s t 、g p t o 等与外嘲应用功能模块相连，具体 酶连接方式是；通过g p i o 连接单线式强度黄感器，邋过异步串行疆连接g p r s m o d e m ，通过u s bh o s t 连接u s bh u b 以扩展u s b 口并通过u s b 转r s - 2 3 2 的方式分 别连接g p s 探头和非按触式i c 卡读卡器。 3 枣缀 在本牵中，我们从分折系统功能潜求入手建立了系绞的体系结构。在此纂础上， 讨论确定了系统核心嵌入式平台硬件( 主骠是确定核心嵌入式处理器) 和嵌入式 平台操作系统。选择了g p s 探头，单线式溢疫佼熊器，菲接触式i e 读卡极等应焉 功能模块，确定采用g p r s 完成系统数据的无线传输。媛后，给出了整个“嵌入式 车载分布式信息采集系统”的结构。 基于a 黼和l i n u x 的嵌入式率载分布式信息采集系统研究与实践 第二章、系统核心嵌入式平台硬件设计实现 嵌入式系统由嵌入式硬件和固化在硬件中的嵌入式软件构成，为了完成某功 能而将计算机系统进行软硬件裁减后嵌入到用户的系统中去，麓一稀谣向应堵的 专用系统，它融合了计黪撼软磺俘技术、遴谶技术翻擞电子技术，是镀息技术豹 最终产品。对嵌入式系统的设计实现，可以分硬件设计实现和软件设计实现两个 阶段。这两个阶段既相互关联又存在各自的独立性，其中硬件谶计实现阶段主要 完成：芯冀选型、线路设诗、铡叛、焊接、硬 孛调试等系列步骚。在上一章中 我们选择确定了系统核心嵌入式平台硬件的解决方案，接下来就是具体的硬件没 计，完成硬件运行环境搭建和麓本的硬件调试工作。 2 1 嵌入式平台络梅霸模头捌分 嵌入式乎台硬件整体结构如图2 - 1 - 1 所示，系统包括核心嵌入式j 笛片、电源模 块、j t r a gi c e 模块、存储器和总线模块、通信接口模块、以及其他外围扩展接口 模块等凡部分。 图2 一卜1 嵌入式平台硬件整体结构 系统梭心为$ 3 c 2 4 1 0 x 蕊冀；麦电源模浚分嗣糖供l ，8 v ( c p u 肉棱电 压) ，3 。3 v ( 系统l o 和外围电路电源) ，5 v ( u s bh o s t 电源) 三种电压；系统存储和总 线模块包括：s d r a m ，b u f f e r ，和f l a s hm e m o r y ( 包括n o rf l a s h 和n a n df l a s i i ) ， 基于a r m 和l i n u x 的嵌入式车载分布式信息采集系统研究与实践 其中s d r a m 与$ 3 c 2 4 1 0 x 通过地址和数据总线直接连接，系统总线通过b u f f e r 提 高驱动能力后连接到外围模块和f l a s i tm e m o r y ：通信接口模块中包括u s b 、串口、 以太网等子模块：系统通过j t a gi c e 模块进行j t a g 在线调试；此外，诸如a d 转换器、i i c 、i i s 、l c d 等本系统中没有用到的片上资源以及g p i o 也从片上引出 到排针接线柱以方便系统的扩展。 核心嵌入式平台实物如图2 一卜2 所示。 图2 一卜2 系统硬件平台实物 2 2 硬件电路设计简述 三星公司为$ 3 c 2 4 1 0 x 芯片提供了一套典型应用方案，及s m i ) e 一2 4 1 0 评估板+ v i v ib o o t l o a d e r + m i z il i n u x 。对嵌入式硬件平台的设计参考了s m d k 一2 4 1 0 评 估板的电路结构“”。在此基础上，根据我们的需要，对其中部分电路进行了修改 和剪裁。在此，限于篇幅，我们不具体介绍每一个模块的详细电路设计，只对我 们进行了修改或涉及到后面开发环境建立和操作系统移植的部分进行介绍。 2 2 1 系统电源模块设计 电源模块是嵌入式系统的重要组成部分，在系统中扮演着非常重要的角色，不 好的电源设计，不仅会导致系统工作不稳定，驱动能力不足，甚至可能会损坏系 统硬件电路，事实上嵌入式系统中的许多故障都是由电源缺陷引起的，所以对电 基于a l i i l 和l i n u x 的嵌入式车载分布式信息采集系统研究与实践 源模块的设计要引起足够的重视。 在上一节中我们已经介绍过系统电源模块需要提供5 v ，3 3 v ，1 8 v 三个电压 值。其中5 v 电源提供给u s bh o s t 用于驱动与其连接的设备：3 3 v 电压给c p ui o 以及外围芯片供电；1 8 v 电压给c p u 内核供电。系统输入为一个大于5 v 的直流电 压，它提供给两片7 8 0 5 分别生成两个5 v ，其中一个5 v 电压给通信模块中的u s b h o s t 供电，另外一个5 v 用来产生3 3 v 和1 8 v 。电源模块框图如图2 2 一卜1 所示： 5 v 输 入 图2 2 一卜1 电源模块框图 目前为了降低嵌入式处理器功耗，很多芯片在供电方式上的做法是内核使用较 低电压如3 3 v 、2 5 v 和1 8 v ，外围i y o 部分采用5 v 、3 3 v 供电，这样系统可以 降低功耗，但同时就需要有几种电压供电。比如本系统采用的$ 3 c 2 4 1 0 芯片，内 核采用1 8 v 供电，外围i o 电路采用3 3 v 供电，提供多路电源电压的方式有许多 种，其中方便有效的方法之一是采用集成电源调理芯片。目前许多芯片制造商如 m a x i m 和t e x a si n s t r u m e n t s 都提供了这种集成电源调理芯片来同时提供多路电 压。这些芯片的输入电压通常在2 v 6 v 范围内，可以提供一到两组不同的输出 电压( 如1 2 v 1 5 v 1 8 v 2 5 v 3 3 v ) ，同时每组输出的电流约为1 0 0 m a 5 0 0 m a 。 这种专用的电源调理芯片输出精度高、耦合噪声小、芯片体积小，有些芯片还提 供电源监控和芯片复位功能，因此非常适合在便携式嵌入式系统中使用。 在本系统中，采用t e x a si n s t r u m e n t s ( t i ) 公司提供的t p s 7 0 x x x ( “系列芯片 作为系统工作电源。t p s 7 0 x x x 系列芯片是t i 公司为了给它的d s p 以及其他产 品提供一个完整的电源解决方案而设计的电压调理芯片，其中t p s 7 0 1 5 1 芯片内部 有两个电压调理器，输出电压分别为3 3 v ( 最大输出电流为5 0 0 m a ) 和1 8 v ( 最 大输出电流为2 5 0 m a ) ，能够满足硬件平台对电源的要求。除此之外，芯片还提供 一路系统复位和输出电压监测功能。其电原理图如图2 ，2 1 2 所示： 基于a r m 和l i n u x 的嵌入式车载分布式信息采集系统研究与实践 驯；l l ；- n c n c 一 、 | 醴气m j _ j 1 m 川 一 “t 卜。， 。上- | _ - 专h w 曩t 4 一。”。f 。tu j i ：甾毒i ；矗 丁_ 0 l 崮j 嗣疆毯 2 j 0 r ；l t 圳4 目 ；i ，ip 2 番d ；”，二 碉里；囊5 m ；： i 西t l ， | j l 1 2 一_ l ”瑙蚓 一 帚黔 + 生。、 l * ! ： p 酋hp 盯b 1 毹蛰 图2 - 2 1 2t p s 7 0 1 5 1 电源芯片电原理图 芯片输入电压位5 v ，输出分别提供3 3 v 和1 8 v ：芯片提供两路复位控制信 号m r l 和m r 2 ，其中m r 2 和r e s e t 按键连接，当按键按下时r e s e t 输出复位信 号给系统r e s e t 完成手动复位；同时利用v s e n s e l 和v s e n s e 2 两个管脚监测 两路输出v o u t l 和v o u t 2 ，当它们检测到输出电压低于某个门限值时，p g l 输 出由高电平变成低电平控制m r l 从而由r e s e t 输出复位信号给系统r e s e t 。 对于t p s 7 0 x x x 芯片的具体信息可以参考其数据手册。 2 2 2 系统存储器及总线模块设计 系统存储器及总线模块包括s d r a m 、b u f f e r 、和f l a s hm e m o r y 三部分。s d r a m 运行速度快，可以随机存取数据，当程序运行时，程序代码和数据放在s d r a m 中， 起到类似通用计算机中的“内存”的作用。由于s d r a m 中数据掉电后会消失，所 以程序代码需要存储在“非易失型”存储器中，在系统上电后先将程序读取复制 到s d r a m 中，然后再在s d r a m 中运行。“非易失型”存储器在系统断电以后仍能保 留原来的数据不丢失，e e p r o m 和f l a s h 都属于这种类型的存储器，也是嵌入 式系统中经常用到的两种存储器。e e p r o m 和f l a s h 的共同点是编程前都必须 先对要写入数据的位置执行擦除操作，且都可按字节编程；所不同的是，e e p r o m 是以字节为单位擦除的，而f l a s h 存储器则是按“块”( b l o c k ) 擦除的，这样做 可以简化内部电路的结构，降低成本，这使f l a s h 比e e p r o m 应用更为广泛。 本系统采用f l a s h 存储程序代码。 由于$ 3 c 2 4 1 0 芯片总线的驱动能力有限，所以要增加b u f f e r ( 缓冲器) 来提 高系统总线的驱动能力。s d r a m 由于运行速度快，所以需要直接连接在系统总线上， 而f l a s hm e m o r y 相对运行速度较慢，可以通过b u f f e r 连接系统总线。 1 7 基于& i n 和l i n u x 的嵌入式率载分布式信怠采集系统研究嗣实践 2 2 2 1 $ 3 c 2 4 1 0 x 存储空间分配及s d r a m 凌计 $ 3 c 2 4 1 0 提供2 7 根越址线l a d d r 0 。2 6 】，对应t 2 8 m b y t e 寻址空间，贯有8 根地址段选”信号线n g c s 7 0 1 ，分另u 对应于8 个1 2 8 m 地址空间( 即8 个b a n k ) ， 它们与地址线配合以提供总计i g b y t e 酶寻址空间( o x 0 0 0 00 0 0 0 0 x 4 0 0 00 0 0 0 ) 。 其数握总线霹以酸疆成3 2 b i t 、1 6 b i t 、8 b i t 三转模式以提供对不阁设备的支持。各 段寻址空间都有特殊功能寄存器与之相对应，用来设置该段存储空间的总线宽度、 控制信号时序等特往。 $ 3 c 2 4 1 0 存继空闯映射如图2 。2 2 。l 囊示： 圈2 - 2 2 1s 3 c 2 4 1 0 x 存储器映射 在8 袋寻址空潮中，b a n k 0 为程序癌动 强段，由予$ 3 c 2 4 1 0 x 嘉n o rb o o t 和n a n db o o t 两种启动方式，所以根据扁动方式的不同b m a k o 分别映射到与 n g c s o 连接存储器或内椰启动r a m 存储器上；b a n k i - - - b a n k